LIDAR技術(shù)在海域使用變化信息識別中的應用研究

孫欽幫　陳兆林　孫麗艷　王陽

摘 要：激光雷達技術(shù)已成為當前海岸帶、海島礁及灘涂測繪的重要新途徑和新方法。該文通過建立LIDAR技術(shù)提取海域使用變化信息的技術(shù)流程，利用多時相、高精度機載LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進行海岸線和海域使用變化信息提取并結(jié)合GIS技術(shù)分析海岸線變化速率，研究表明LIDAR技術(shù)可以有效的對海岸線變化進行監(jiān)測，特別在對短期的海岸線環(huán)境變化及海岸微地貌變化速率分析方面可獲取很好的結(jié)果，因此LIDAR技術(shù)可以應用到海岸線環(huán)境變化、海域使用變化監(jiān)測及海岸微地貌變化識別與監(jiān)測中，從而為海域演變的動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測提供新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：LIDAR 海岸線 信息提取 海域管理

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0012-05

Abstract：LIDAR has become an important new surveying technology for coastal zone、reefs and shoals topology. This article establishes technical workflow of extracting change information in sea using area with LIDAR， which extracts changes of shoreline and sea using area by using DEM acquired by multi-temporal and high-resolution LIDAR； and analyzes shoreline changing rate by combining GIS analysis. This research shows that LIDAR technology can effectively monitor changes of shoreline， especially can better analyze short-term coastal environment change and coast microgeomorphology changing rate. In summary， LIDAR technology can be applied in identifying and monitoring the change of coastal environment、sea using area and coast microgeomorphology， therefor providing a new technique for the dynamic surveillance and monitoring of the evolution of coastal area.

Key Words：LIDAR； Shoreline； Information extraction； Coastal area management

激光雷達技術(shù)（Light Detect And Ranging，LIDAR）已成為當前海岸帶、海島礁及灘涂測繪的重要新途徑和新方法[1-2]。隨著該項技術(shù)的成熟，實現(xiàn)高精度三維海域使用變化信息的識別成為可能。LIDAR技術(shù)應用到海岸帶數(shù)據(jù)獲取和研究起始于20世紀末，主要在發(fā)達國家的海岸帶測量中開始應用。例如，2001年至今，美國地質(zhì)調(diào)查局先后在密西西比海岸帶、德克薩斯海岸帶、佛羅里達和阿拉巴馬州的海岸帶利用機載LIDAR獲取海岸帶、潮間帶及近海水下的地形數(shù)據(jù)[3-4]。近年來，在“908專項”及其他海洋和海岸學科研究的支持下，我國相關(guān)機構(gòu)和研究學者嘗試將LIDAR技術(shù)應用到了海岸帶的調(diào)查和研究領域[5]。

目前，國內(nèi)針對利用LIDAR技術(shù)進行海域使用變化信息識別的技術(shù)路線、流程及信息提取方法尚沒有大范圍的研究。同時，利用多期高精度LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進行海岸線提取及其變化研究、海岸帶地質(zhì)災害監(jiān)測等方面的研究也較少，從而制約了LIDAR技術(shù)在海域使用變化監(jiān)測、海岸線變化研究及海岸帶地質(zhì)災害等方面的進一步應用。基于此，該研究利用實驗區(qū)域內(nèi)兩期海岸帶LIDAR測量數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)研究實驗區(qū)的海岸線變化速率提取方法，為海域變化信息提取與識別、海域使用管理提供技術(shù)手段和支撐。

1 基于LIDAR技術(shù)海域使用信息變化提取與識別方法

1.1 LIDAR的技術(shù)原理

LIDAR產(chǎn)生于20世紀70年代，該技術(shù)最初在美國應用到海岸帶的地形數(shù)據(jù)獲取，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）首先在美國部分地區(qū)的海岸帶進行了機載LIDAR獲取地面及水下數(shù)據(jù)的實驗。LIDAR技術(shù)可以實現(xiàn)空間三維坐標的同步、快速、精確地獲取，并根據(jù)實時攝影的數(shù)碼像片，通過計算機重構(gòu)來實現(xiàn)大型實體或場景目標的3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實時的、真實的形態(tài)特性，為快速獲取空間信息提供了簡單有效手段。在LIDAR系統(tǒng)中，結(jié)合GPS（全球定位系統(tǒng)）得到的激光器位置坐標信息，INS（慣性導航系統(tǒng)）得到的激光方向信息，就可以準確地計算出每一個激光點的空間直角坐標X、Y、Z，大量的激光點聚集成激光點云，組成被測區(qū)域的點云圖像，這就是機載激光雷達的測高原理[7]。

和傳統(tǒng)的遙感手段相比，LIDAR具有以下的優(yōu)勢：（1）LIDAR是對地表三維坐標的直接測量，攝影測量或者雷達干涉測量InSAR都是通過間接的方法獲得地表三維數(shù)據(jù)；（2）激光雷達能部分地透射植被，有效去除植被高度的影響，傳統(tǒng)攝影測量則只能通過估算植被高度的方法去除植被的影響 大大影響精度；（3）LIDAR是主動式傳感器，不受光照影響，受天氣的影響比光學遙感要?。唬?）在某些困難地區(qū)，如沙漠、海岸帶、高差較大的地形復雜地區(qū)等，使用傳統(tǒng)的遙感手段很難甚至無法獲得高精度高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，而LIDAR則受上述地形條件影像較小。

1.2 基于LIDAR技術(shù)海域使用信息變化提取技術(shù)流程

海岸線即是陸地與海洋的分界線，一般指海潮時高潮所到達的界線，在我國系指多年大潮平均高潮位時的海陸分界線[8]。海岸線的變化對于海域管理和規(guī)劃是非常重要的，因此海岸線的提取是海域使用信息變化分析的重要前提條件。傳統(tǒng)的海岸線測量采取現(xiàn)場海岸測繪方式，目前常用的方法是攝影測量技術(shù)，GPS測量技術(shù)配合陸上車載技術(shù)也被用于大比例尺的岸線測繪（Ruggiero， 2000）。這些方法效率低，工作周期長，精度低，難以反映海岸線及海域使用的快速動態(tài)變化。Stockdon等（2002）采用機載LIDAR數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)，利用剖面疊加分析方式自動提取海岸線。Robertson等（2004）采用跟蹤特定高程單條等高線的方式，從LIDAR點云數(shù)據(jù)中提取海岸線。Liu等（2007）采用分割LIDAR獲取的高精度DEM的方式自動提取海岸線。這些基于LIDAR技術(shù)獲取的海岸線精度遠高于攝影測量方式，同時能夠采集潮間帶的地形地貌數(shù)據(jù)[9]。

基于LIDAR技術(shù)的海域使用信息變化提取技術(shù)需要通過對LIDAR點云數(shù)據(jù)進行預處理和分類處理，利用均值移動算法并結(jié)合衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)提取海岸線信息，最后結(jié)合GIS技術(shù)構(gòu)建海岸線變化速率模型，具體工作流程參見圖1所示。

1.3 基于GIS技術(shù)的海岸線變化速率分析

海岸帶作為一個水陸交界的動態(tài)地理單元，其變化受多種動力機制的影響。Woolard等（2002）利用機載LIDAR數(shù)據(jù)和GIS軟件平臺，使用統(tǒng)計方法對美國北卡羅萊納州哈特拉斯角地區(qū)海岸帶的多時相和多分辨率的海灘沙丘進行變化識別。Shrestha等（2005）使用機載LIDAR定期對佛羅里達州東北部35km海岸進行量測，采用剖面分析的方法對不同時相點云生產(chǎn)的DSM進行比較，監(jiān)測佛羅里達的海岸線變化，由此得到高精度的海岸侵蝕速率。Robertson等（2007）利用機載LIDAR調(diào)查了佛羅里達巴拿馬城由于颶風的事件引起的海岸線遷徙和海岸侵蝕。Chust等（2008）利用機載LIDAR數(shù)據(jù)和從點云中獲取的坡度、坡向等地形信息，結(jié)合點云強度信息，通過融合多光譜影像，采取最大似然法對Bidasoa地區(qū)沿海河口巖石區(qū)域和潮間帶進行動態(tài)變化識別和海岸變化監(jiān)測。LIDAR技術(shù)應用于海岸線侵蝕的調(diào)查與研究大大提高了海岸線侵蝕的觀測精度[10]。

該文利用多時相的LIDAR數(shù)據(jù)按照海岸岸線演化狀態(tài)的不動點（向海淤積為正，向陸侵蝕為負）和一定間隔的垂向海岸剖面線分割岸段，形成兩期岸線變化多邊形，求取多邊形的面積與基線岸段的長度之比，即研究岸段上空間連續(xù)的海岸變化速率。計算步驟如下。

（1）指定基年海岸線位置，在GIS環(huán)境中對兩期海岸線數(shù)據(jù)進行拓撲分割，求取海岸線變化的不動點，按照侵蝕和淤積實際狀態(tài)，指定海岸演化方向（向海淤積為正，向陸侵蝕為負）。

（2）按照海岸線斷點剖面抽取原則，按照一定采樣距離，生成一組海岸剖面線，同時利用GIS拓撲分析，將剖面線和兩期海岸線進行空間拓撲疊加，形成海岸變化的多邊形。運用空間統(tǒng)計，輸出每個多邊形面積和對應得基年海岸的岸段的長度。

（3）按照公式計算一定時間階段的海岸線變化速率。式中Vi為岸段i在t1-t0時間段內(nèi)的平均海岸線變化速率，Si是岸段i在海岸線變化形成的多邊形面積，Li表示岸段i的長度（見圖2）。

（4）求取兩期海岸線之間的變化速率，按照平均速率法計算海岸變化速率。

2 應用與分析

2.1 LIDAR數(shù)據(jù)源

該文實驗研究數(shù)據(jù)由http：//ngom.usgs.gov網(wǎng)站下載，實驗區(qū)域選擇美國加利福尼亞州圣迭戈縣卡爾斯巴德作為研究區(qū)域（圖3），研究岸線長度離約9.0 km。

為了減小季節(jié)性的潮差和波浪等因素對LIDAR數(shù)據(jù)的獲取影響，該文實驗數(shù)據(jù)選擇2003年3月28日和2006年3月24日的LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)高程精度為0.10～0.19 m，坐標系統(tǒng)為NAD1983，投影為UTM投影，中央子午線-117°。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

該文采用等高線跟蹤法[4]對海岸線信息進行數(shù)字化提??；利用芬蘭Terrasolid軟件TerraScan模塊對LIDAR數(shù)據(jù)進行預處理和分類處理，數(shù)據(jù)處理后生成DEM（Digital Elevation Model）。為了獲取高精度的海岸線數(shù)據(jù)，該文利用ArcGIS對2003年3月28日DEM數(shù)據(jù)中的波段1進行拉伸處理，對2006年3月24日DEM數(shù)據(jù)中的波段2進行拉伸處理（圖4）；拉伸處理后利用ArcGIS的空間分析模塊生成海岸線（圖5）。

為了定量化評價基于LIDAR數(shù)據(jù)獲取海岸線的精度，分別選擇四個區(qū)域內(nèi)的構(gòu)筑物作為基準（圖6），利用試驗區(qū)高精度正射影像數(shù)據(jù)提取基準岸線，并與LIDAR后處理的DEM數(shù)據(jù)進行比對分析，結(jié)果參見表1。

根據(jù)表1統(tǒng)計分析，基于LIDAR數(shù)據(jù)獲取海岸線精度是非常高的，可以滿足中小比例尺海岸線測繪的需要。為了便于分析實驗區(qū)海岸線變化速率，該文將試驗區(qū)數(shù)據(jù)化成四個研究區(qū)（圖5）。借助GIS軟件按照該文1.3節(jié)的統(tǒng)計模型統(tǒng)計計算研究區(qū)域岸線變化速率，統(tǒng)計結(jié)果見表2。統(tǒng)計結(jié)果表明，利用LIDAR進行海岸線變化監(jiān)測，可以有效地對短期海岸線環(huán)境變化進行監(jiān)測。

3 結(jié)語

該文主要研究利用多時相、高精度LIDAR獲取的DEM數(shù)據(jù)進行海岸線提取和海域使用變化信息識別，從而對海岸線變化速率進行分析。初步建立LIDAR技術(shù)在海域使用信息變化提取中的技術(shù)流程，結(jié)合GIS技術(shù)對實驗區(qū)的海岸線變化信息進行了提取并計算海岸線變化速率，研究表明LIDAR技術(shù)可以有效的對海岸線變化進行監(jiān)測，特別在對短期的海岸線環(huán)境變化及海岸微地貌變化速率分析方面可獲取很好的結(jié)果，因此LIDAR技術(shù)可以應用到海岸線環(huán)境變化、海域使用變化監(jiān)測及海岸微地貌變化識別與監(jiān)測中。

參考文獻

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